2019年全國Ⅱ卷理綜化學實驗題剖析

李陽 魏夢雪 李學強

摘要：通過對2019年高考全國Ⅱ卷理綜化學實驗題分析，闡述試題背后所蘊含的試題意圖，幫助一線教師能夠改變以往實驗授課模式，將傳統實驗與最新成果、大學化學相聯系，提升對實驗的認識，從而幫助學生全面掌握現代化的中學實驗。

關鍵詞：咖啡因;索氏提取;蒸餾濃縮;升華

文章編號：1008-0546（2019）11-0055-03

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j.issn.1008-0546.2019.11.015

化學是一門以實驗為主的自然學科，其主要目的就是培養學生的創新意識，讓學生對化學產生巨大興趣;實驗的設置也符合課標對學生的素養要求。課標指出科學探究與創新意識[1]。認識科學探究是進行科學解釋和發現、創造和應用的科學實踐活動;能發現和提出有探究價值的問題;能從問題和假設出發，依據探究目的，設計探究方案，運用化學實驗、調查等方法進行實驗探究;勤于實踐，善于合作，敢于質疑，勇于創新。2019年全國理綜Ⅱ卷化學實驗題中以提取咖啡因為實驗情景，基于粗鹽提純、苯甲酸重結晶、海帶提碘等傳統實驗為基礎，與大學有機實驗提取咖啡因相互結合，綜合考查學生的實驗能力。高考作為銜接高中與大學之間重要的橋梁之外，在知識體系中也存在著相互關聯。

一、咖啡因概述

咖啡因又稱咖啡堿，化學名稱1，3，7-三甲基黃嘌呤，分子式C8H10N402，結構式圖1所示。通常以無結晶水與一個結晶水的形式存在，為白色粉末或白色針狀結晶，無臭，味苦。目前，有關咖啡因的制備主要有機溶劑提取法、水-有機溶劑提取法[2]、微波提取-升華法[3]、超臨界CO2提取法[4]、離子液體提取法[5]等多種提取方法。其在生產生活領域發揮著重要作用。

高考真題中的流程是專業流程的簡化版，符合高三學生的認知發展。用簡單的提取液、濃縮液、粉狀物、咖啡因（樣品）等關鍵詞構成了工藝流程的主要線路。學生以粗鹽提純、苯甲酸重結晶、海帶提碘、萃取有機物等相關實驗背景，對考題中的流程進行分析整理。

考查學生對所學知識的掌握。而大學所用的提取咖啡因其步驟繁瑣流程復雜，如圖2所示從茶葉末到產品需要考慮多種操作步驟及其他影響因素[6]。因此考題中的流程為簡化版的流程。

2.簡化卻不簡單

考題中所呈現的信息量龐雜。題干中介紹咖啡因的物理性質及用途，茶葉中含有的含量及其他雜質，提取咖啡因流程圖，索氏提取裝置的工作原理。題干中大量的信息對學生解決看似簡單的試題存在一定難度。第一小問考查研磨及沸石的作用;第二小問考查索氏提取器的優點及提取過程中不能使用明火的原因;第三小問考查乙醇與水相比作為萃取劑的優點及蒸餾裝置的連接;第四小問考查生石灰的作用;第五小問考查分離提純的名稱。所有問題設計都包含著學生對基礎實驗的掌握與理解。

3.物理化學解讀升華

升華是利用固體混合物的蒸氣壓或揮發度不同，將不純凈的固體化合物在熔點溫度以下加熱，利用產物蒸氣壓高，雜質蒸氣壓低的特點，使產物不經過液體過程而直接氣化，從而達到分離固體混合物的目的[7]。一般來說，能夠通過升華操作進行純化的物質是那些在熔點溫度以下具有較高蒸氣壓的固體物質。這類物質具有三相點，即固、液、氣三相并存之點。

4.提高信息利用率

試題中的信息對于解題至關重要，只有分析信息背后所蘊含的玄機才能輕松應對每道問題。信息一：咖啡因極易溶于水和乙醇，熔點234.5℃，1OO℃以上開始升華。其信息一說明水和乙醇都可以作為溶劑使用，但乙醇和水相比沸點低易蒸發;信息二：茶葉中含有咖啡因約1%-5%，單寧酸Ka=10-4極易溶于水和乙醇，含量約3%-10%。信息二說明在提取咖啡因的過程中有雜質單寧酸且含量比咖啡因的含量高，單寧酸為酸性物質且極易溶于水和乙醇，因此在除雜過程中必須用堿中和除去多余的水;信息三：索氏提取裝置中溶劑受熱蒸汽遇冷液化與茶葉接觸，進行萃取，實現對茶葉末的連續萃取。信息三是對咖啡因極易溶于水和乙醇的再次強調，突出溶劑為乙醇，并且展示索氏提取裝置可連續萃取的優點。

三、從教材實驗到考題實驗

1.蒸餾

高中教材中首次提到的蒸餾裝置為實驗室制取蒸餾水（裝置如圖3所示），其原理是利用混合物中各組分的沸點不同，用蒸餾的方法除去易揮發、難揮發或不揮發的雜質[8]。考題中的蒸餾濃縮過程與課本中制取蒸餾水的原理一致，都采取了利用沸點的不同將其分離，達到除雜的目的。

2.萃取

萃取是指用一種溶劑把物質從它與另一種溶劑所組成的溶液里提取出來。教材中用四氯化碳萃取碘的飽和水溶液。其目的是將碘從水溶液中萃取到四氯化碳中，從而達到分離的目的[8]。考題中可以把索氏提取裝置體系看為分液漏斗，茶葉末就是課本中的碘的飽和水溶液，但兩者的最大不同是索氏提取裝置（如圖4）可以連續進行萃取操作，而分液漏斗只能單次萃取，萃取效率低。萃取中采用的溶劑為乙醇，與課本上用四氯化碳一致，均為有機溶劑，但不同之處在于課本實驗中無需考慮有機溶劑沸點問題，只是簡單地進行萃取與分離，而考題中需要考慮其沸點，因此在選擇溶劑時就成為考點，需要學生進行判斷。

3.蒸發

教材在粗鹽提純過程中使用蒸發的方法得到較為純凈的鹽（如圖5所示）。其原理為鹽水受熱，水分蒸發，當分別達到飽和濃度時，以晶體形式析[8]。考題中為了得到粉狀物，試題中也采用蒸發的方式。其原理與粗鹽提純一致。

四、結論與啟示

1.重視基礎實驗，拓寬基礎實驗應用范圍

高中化學實驗是學習化學知識的基礎，在教學過程要重視傳統實驗。首先，對傳統實驗中的每一個步驟都要明白其目的與作用;其次，要根據物質的物理及化學性質設計出相應的裝置;最后，能用高中所學的相關實驗解決生活中相似問題。例如，蝦蟹殼中甲殼素的提取、食品中碘的提取與檢驗、凈水劑高鐵酸鉀的制備、探究飲料的酸堿性及維生素C的檢驗、阿司匹林藥片中有效成分的檢測、空氣中二氧化硫含量的測定、雪花膏的制備、黑枸杞中提取花青素等[9]。通過將所學實驗與生活實際相互聯系，拓寬學生對傳統實驗的認可感。

2.深化高中實驗，使高中大學相互銜接

高中介紹過海水提溴的方法，在此基礎上也可以給學生介紹電解鹽鹵（氯化鈉被分離后的母液）來制取。此外，實驗室還用制備氯的方法來制備溴，但用溴化物與濃硫酸的混合物來代替HBr[10]。2NaBr+3H2SO4+Mn02=2NaHSO4+MnSO4+2H2O+Br2;在介紹金屬制備時，利用工藝流程向學生講解火法從黃銅礦（CuFeS2）中提煉Cu。其主要步驟分為富集、焙燒、制冰銅、制泡銅、制精銅;在學習無機非金屬硅時，應向學生介紹由石英砂到高純硅的工藝流程。其過程為Si02+C=Si+2CO ↑（制得粗硅）;Si+2Cl2=SiCl4;SiCl4+2H2=Si+4HCl（制備高純硅）。通過上述介紹，將高中知識與大學知識相互融合，為學生在以后的學習中奠定一定基礎。

3.引入最新成果，以新成果為背景

教師在日常的教學中除了將課本上的知識傳授給學生之外，還應時常關注我國科學家發表的重要成果，將最新成果與學生進行交流。如考題采用發表在Nature中Sm-Fe-As- 0-F鐵基化合物的超導體為背景[11]，考查學生砷的氫化物的結構式、沸點;鐵、釤價層電子排布;氟、氧離子比較;化合物分子式及晶胞密度等相關知識。將抽象難懂的最新成果轉化為學生現有的認知水平。

通過本文相關論述，以高考實驗題為背景剖析真題實驗與傳統實驗的聯系與區別，提醒師生在日常的教與學中應該重視傳統實驗，并且以傳統實驗為基礎，以大學實驗為輔助，探索屬于新時代下新的中學實驗體系。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017版）[M].北京：人民教育出版社，2018：4-5

[2]徐鳳英.茶葉中咖啡因提取方法與工藝[J].寧夏農林科技，2012，53（11）：102-103

[3]韓亭亭，祁玥，王立寧.從茶葉中提取咖啡因的實驗研究進展[J].廣州化工，2017，45（1）：28-30

[4]趙旭壯，郭維強，唐遠謀等.超臨界C02萃取茶葉中咖啡堿工藝研究[J].食品與發酵科技，2011，47（5）：34-36

[5]黃飛，徐慧敏，王杰等.離子液體提取茶葉中咖啡因的工藝研究[J].齊齊哈爾大學學報（自然科學版），2017，33（2）：48-52

[6]王俊儒，李學強，陳曉婷主編.有機化學實驗（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2019：192-196

[7]杜鳳沛，高丕英，沈明主編.簡明物理化學（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2009：89-93

[8]普通高中課程標準實驗教科書[M].北京：人民教育出版社.化學必修1：5-8

[9]王磊主編.中學化學實驗及教學研究[M].北京：北京師范大學出版社，2009：196-202

[10]北京師范大學等校編.無機化學（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2002：455-459

[11] Chen X H，Wu T，Wu G，et aI.Superconductivity at 43 K inSmFeAsO l-xF x[J].nature， 2008，453（7196）：761